層疊式預氧化機

姜 蓉 劉 盛

邵陽紡織機械有限責任公司(中國)

目前,瀝青基碳纖維熔融紡絲形成原絲后,原絲還需進行預氧化、碳化等工序加工,才能形成均勻的石墨化晶體結構而具有優異的纖維性能。[1]預氧化是在高溫狀態下向纖維原絲內部滲入氧原子,脫去氫原子,這是通過一定風速的熱風(熱風中含有氧)對原絲循環加熱來實現的。

普通預氧化機一般設計成若干節,在長度方向一字型排開。這種結構存在2個缺點:一是由于瀝青碳纖維原絲的預氧化時間很長,約180 min,按照網鏈1 m/min的速度計算,預氧化機長度至少需180.0 m,這將使廠房和設備的投資非常大,同時還需要適當增加工位才能使機器良好運行;另一個是由于預氧化溫度較高,約300 ℃,設備雖然有保溫措施,但保溫層表面與廠房內溫度至少存在25 ℃的溫差,180.0 m長的預氧化機由于隔熱層散熱面積過大,設備能耗將非常大,設備運行成本也相當高。

為此,邵陽紡織機械有限責任公司研發了層疊式預氧化機,將網鏈在高度方向層疊后,以一定的風速對原絲循環加熱實現預氧化,這樣不僅能大大縮短設備的長度,而且還能降低廠房和設備的投資成本,同時也能減小設備的散熱面積,降低設備的運行成本。以預氧化時間180 min、網鏈速度1 m/min、幅寬1.5 m計算,5層層疊式預氧化機的設備長約38.0 m,高4.0 m,寬2.8 m,隔熱層散熱面積約540 m2,而普通型預氧化機長約需180.0 m,高2.2 m,寬2.2 m,隔熱層散熱面積為1 595 m2,可見,層疊式預氧化機的隔熱層散熱面積僅僅是普通型式預氧化機的1/3。本文將對本公司研發的5層層疊式預氧化機作一詳細介紹。

1 工作原理

5層層疊式預氧化機的網鏈為不銹鋼人字網,兩側的鏈條通過穿軸與人字網固結。在高度方向設置了5層網鏈,每層網鏈都有熱風循環系統進行熱風氧化,每層網鏈錯位排列,以使上層網鏈上的纖維氈掉落后立即被下層網鏈接住繼續熱風氧化,每層網鏈落絲端設置有擋絲板,以防止纖維氈掉落時意外飛散。各網鏈的運行方向與相鄰網鏈的運行方向相反。網鏈傳動系統由電動機減速器、鏈條傳動、主動鏈輪、軸承座、被動鏈輪、滑動軸承座等組成。每層網鏈單獨傳動,采用同步電動機變頻調速以確保所有網鏈速度一致。每層網鏈有2個傳動軸,一個為主動軸,另一個為被動軸。電動機減速器通過鏈條傳動將動力傳給主動軸上的主動鏈輪,再通過網鏈與被動鏈輪之間的摩擦力使被動鏈輪轉動。為了使網鏈的松邊在下,緊邊在上,每層網鏈的主動軸和被動軸的放置位置與相鄰網鏈的相反。

熱風循環系統主要由循環風機、錐形分配室、噴風管、吸風管組成。承載纖維氈的網鏈位于薄型風盒的噴風管和吸風管之間,吸風管在噴風管的正下方,熱風從噴風管的噴風小孔噴出后,往下穿透纖維氈,并由吸風管上的吸風小孔吸附在網鏈上,跟隨網鏈運動,經過第一層網鏈的熱風氧化,再翻轉掉落至第二層網鏈的熱風氧化,以此類推,直至經過第五層(底層)網鏈的熱風氧化,共計5次的熱風氧化。熱風循環系統始終以一定風速對纖維氈循環加熱,最終完成預氧化的工藝要求。

2 工藝流程

紡絲組件落絲→負壓吸附裝置→第一層網鏈→第一層網鏈熱風循環系統→第二層網鏈→第二層網鏈熱風循環系統→第三層網鏈→第三層網鏈熱風循環系統→第四層網鏈→第四層網鏈熱風循環系統→第五層網鏈→第五層網鏈熱風循環系統→出絲。

3 層疊式預氧化機簡介

圖1為層疊式預氧化機的立面剖視圖、網鏈傳動系統的側面剖視圖和熱風循環系統的側面剖視圖。

1—負壓吸附裝置; 2—紡絲組件; 3—纖維氈; 4—吸風管; 5—噴風管; 6—擋絲板; 7—頂層網鏈; 8—第二層網鏈; 9—第三層網鏈; 10—第四層網鏈; 11—底層網鏈; 12—循環風機; 13—隔熱門; 14—機架; 15—分配室; 16—電動機減速器; 17—鏈條傳動; 18—軸承座; 19—主動鏈輪; 20—被動鏈輪; 21—滑塊軸承座。圖1 層疊式預氧化機

3.1 負壓吸附裝置

短纖維從紡絲組件(2)噴絲后,掉落到頂層(第一層)網鏈(7)上,負壓吸附裝置(1)位于頂層網鏈(7)的中間偏左位置,如圖1a)所示。抽風風機通過風管結合件、調風管結合件、調風板結合件、分配室與吸風管相連。安裝在調風管結合件上的調風板結合件的作用是通過手柄手動調節吸風口大小,從而控制吸風量,最終使纖維氈的堆砌高度或蓬松度符合氧化生產工藝的相關要求。抽風風機工作時,在網鏈下方產生一個均勻的負壓區,將短纖維吸住并形成一定厚度的纖維氈(3),防止短纖維飛散。一般負壓區網鏈表面的風壓設定為200 Pa左右比較合適,風壓太小吸附效果不好,纖維四處飄散;太大風機功率消耗將成倍增大。

3.2 網鏈系統

本機型在高度方向設置5層網鏈。網鏈(7～11)為不銹鋼人字網,兩側的鏈條通過穿軸與人字網固結,人字網用于承載纖維氈(3),鏈條用于傳遞動力。每層網鏈錯位排列,以使上層網鏈上的纖維氈掉落后剛好被下層網鏈接住,各網鏈的運行方向與相鄰網鏈的相反。

如圖1a)所示,頂層網鏈(7)以1 m/min左右的速度向右勻速移動,直到頂層網鏈(7)的端頭,同時在網鏈(7～11)端頭設置擋絲板(6),以防纖維氈掉落時意外飛散。由于頂層網鏈(7)翻轉,纖維氈(3)因重力作用掉落,第二層網鏈(8)超出頂層網鏈(7),因此纖維氈(3)剛好掉落在第二層網鏈(8)上,第二層網鏈(8)移動方向與頂層網鏈(7)相反,纖維氈(3)反方向運行至第二層網鏈(8)端頭,并落入第三層網鏈(9)……以此類推,直至底層網鏈(11)。

如圖1b)所示,各層網鏈(7～11)都配置1臺電動機減速器(16)傳動,5臺電動機減速器采用同步電動機變頻調速,以確保各網鏈(7～11)速度一致,相鄰網鏈運行方向相反。每層網鏈(7～11)都有1個主動鏈輪(19),1個被動鏈輪(20)。電動機減速器(16)通過鏈條傳動(17)將動力傳給主動軸上的主動鏈輪(19),再通過網鏈(7～11)兩側的鏈條帶動被動軸上的被動鏈輪(20)轉動。為了防止鏈條傳動時卡住,損壞傳動系統,必須使網鏈(7～11)的松邊在下,緊邊在上,因此各層網鏈(7～11)的主動鏈輪和被動鏈輪的放置位置需與相鄰網鏈的相反。

被動鏈輪(20)安裝在被動軸上,網鏈(7～11)的一側安裝在被動鏈輪(20)上。由于烘房內部工作溫度可至350 ℃,網鏈將產生熱脹冷縮現象。經計算,工作溫度為350 ℃時,網鏈熱伸長量約為240 mm,因此被動軸的軸頭兩端安裝了滑塊軸承座(21),滑塊軸承座(21)再與氣缸連接,從而起到適當張緊的作用。

3.3 熱風循環系統

如圖1c)所示,噴風管(5)設置在網鏈(7～11)的上方,而設置在網鏈(7～11)下方的吸風管(4)隔著網鏈正對噴風管(5),由于纖維氈(3)比較松散,因此低壓熱風也能穿透纖維氈(3),噴風管(5)的吹風方向為由上往下,且風速控制在8 m/min以下,因此可防止纖維氈飛揚,往下穿透纖維氈,然后纖維氈(3)再被吸風管(4)上的吸風小孔吸附在網鏈上,跟隨網鏈運動,經過頂層網鏈(7)的熱風氧化后,纖維氈(3)再翻轉掉落至第二層網鏈(8)熱風氧化,以此類推,直至經過底層網鏈(11)的熱風氧化,共5次熱風氧化。每層熱風循環系統都配置了補風部件,這樣熱風循環系統就可始終以一定的風速對纖維氈(3)循環加熱,實現預氧化,最終達到預氧化的工藝要求。

熱風循環系統主要由循環風機(12)、錐形分配室(15)、噴風管(5)、吸風管(4)組成。循環風機的一端和彎管結合件、風管結合件、過濾網結合件、彎管結合件、錐形分配室(15)和吸風管(4)連接。過濾網結合件不僅能有效過濾短小纖維,而且還可保護循環風機(12)不被雜物纏繞而燒壞,但安裝時要求保留過濾網垂直方向的抽出空間(過濾網使用一段時間后需取出清理);循環風機另一端和電加熱器、彎管結合件、錐形分配室(15)及噴風管(5)連接,電加熱器特別訂制,工作溫度約為350 ℃,且要求電熱管可被從保溫層隨意取出,以方便維修。

3.4 烘房系統

烘房是紡織機械烘燥設備的必要組成部分,烘房的密封性能和隔熱性能直接影響烘房的烘燥效率。[2]烘房系統四周隔熱層的作用是隔絕室內熱空氣與室外冷空氣產生對流,防止室內熱空氣向外散發熱量而降低熱空氣溫度或升溫緩慢。為此,隔熱層由數十塊長方形或正方形的隔熱門組成,安裝在烘房機架上,以防止烘房內熱量由隔熱門傳導擴散,在達到工藝溫度要求的同時節能環保。

烘房系統的機架(14)主要為框架結構,分為出料端機架、吸風端機架、中間段機架、進料端機架和后段機架,每節烘房長2～4 m,機架零件的制造實現高度通用化,便于設備生產管理、安裝和運輸。烘房機架(14)之間主要用螺絲對掐連接,各機架部件中間固定,相鄰留有伸縮縫,便于部件的熱脹冷縮。烘房機架(14)伸縮縫之間的伸縮條、蓋板及礦棉板使用方現場配做,安裝時烘房底座也需鋪礦棉板。

烘房系統的隔熱門(13)主要為積木式結構,分為出料端隔熱門、吸風端隔熱門、中間段隔熱門、進料端隔熱門和后段隔熱門,隔熱門(13)覆蓋在機架部件(14)外圍,厚度達200 mm,能有效減少隔熱門(13)表面的熱量散失。

隔熱門(13)主要由形狀相同、大小各異的隔熱門結合件組成。隔熱門結合件按功能又分為活隔熱門和死隔熱門。活隔熱門可以方便地打開檢修或處理異常情況,由把手、里板、面板、密封條和保溫層組成;死隔熱門的作用是保溫和支撐,死隔熱門相對于活隔熱門沒有把手,只是四周多了安裝孔。死隔熱門一般四周通過螺釘和機架連接、固定,側面通過鉸鏈和活隔熱門連接(作為活隔熱門的支點),最終活隔熱門通過2個鉸鏈及把手上的門鈕(門鈕滑入機架上的安裝孔內)3個點實現固定,通過把手實現開啟或閉合。

4 結語

隨著社會節能環保意識的不斷強化,邵陽紡織機械有限責任公司生產的層疊式預氧化機通過縮短設備長度,適當增加設備高度,使設備具有能耗低、生產連續、適用范圍廣、預氧化效果顯著、運行成本低等特性,該設備必將得到更為廣泛的應用,可為化纖行業提高產品檔次、開拓國內外市場奠定堅實基礎。